基于ARM初晶温度检测系统的研究

崔运生

摘 要：随着经济建设的发展，国家对铝的需求量日渐提高，每年的铝生产量也飞速增长。电解铝是工业化生产铝的主要方法。在电解铝过程中温度要维持在一个适当的温度范围内，过高过低都会对生产产生不良的后果，在此基础上设计的一款基于ARM的嵌入式初晶温度检测设备，为电解铝过程中的温度测量提供帮助。

关键词：ARM；初晶温度检测系统；设计

1 电解质初晶温度以及国内外研究

现代铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳电解铝极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在910℃-980℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，即电解。在电解铝过程中一般是使电解液从高温逐步降低冷却，当温度降低到特定的温度时候就会有晶体析出来，这个温度即铝的初晶温度。对于铝电解质的初晶温度如果温度过高就会造成温度过热，在电解过程中热能是由电能转换而来，然而生产出一吨铝的耗电量高达14500kWh左右，这样对于大型铝厂电能的消耗是巨大的，造成了巨大的资源浪费。同时如果温度过低就会造成电解槽的损坏，严重甚至会造成生产设备的损坏，对于误工以及设备的维护损失是相当巨大的。为了预防这种情况的发生，对于电解质温度的控制意义是巨大的。一般铝电解液的温度在910℃-980℃之间，在国内的大型铝厂一般位置温度过热在20-40℃之间，然后一般认为最适当的温度是过热10℃左右。如果能降低这一点也会对企业带来巨大的经济效益，对人们的生活也会带来巨大的影响。

2 初晶温度检测系统设计

2.1 初晶温度上端设计

这款基于ARM初晶温度监测系统，主要由初晶温度检测上端，嵌入式ARM核心板以及ARM外扩三大部分组成，其中初晶温度检测上端由前端电路调节、A/D转换、失调电压调节、电源指示部分以及振铃与指示灯部分组成。

图1 初晶温度检测系统整体架构

在本设计中电信号是由测温枪上的热电偶传感系统采集铝电解槽中电解质的温度并把温度信号转换成电信号，经过初晶温度检测上端设计经过对电信号的调理，包括滤波电路与放大电路，在经过A/D转换将电信号转换成数字信号传输到ARM核心板上，这是初晶温度检测上端设计，其硬件方框图如图2。

图2 初晶温度检测上端系统硬件方框图

在初晶温度检测上端测温枪经过热电偶温度传感，将热信号转换为电流信号，由于在热电偶两个不同的导体在相同的温度下垫子的浓度不尽相同导致出现电动势，这样在产生了一个电流回路的情况下，将电流输入到嵌入式初晶温度检测系统中，经过信号调理电路，在信号调理电路当中包括对电流信号的过滤与双重放大过程，一级信号放大电路采用的芯片为INA118，INA118是一款小功率通用仪表放大器，通过更换一个外部电阻的阻值可以设置任何增益，由于经过一级放大电路输出的信号会有噪声的干扰，为了保证信号的准确性，用一个OP297芯片设计一个二阶低通有源巴特沃斯滤波器对其进行低通滤波，滤波器的截至频率为40Hz。经过一级放大和低通滤波的信号由于只被一次放大，还不能够达到后端A/D采集的要求，所以需要对其进行二次放大。二级放大采用THS4131差分放大器，由于是差分输出，所以放大器能够很好的抑制共模信号的干扰。这样可以得到一个稳定的模拟电流信号，通过A/D转换将电流信号转换成数字信号传送到ARM7核心板中。

2.2 初晶温度检测系统核心板及外扩设计

嵌入式主板模块是进行数据处理和逻辑控制的核心部分。主处理器采用ARM7系列的Cortex-A8芯片，主要负责各个外部接口连接，将A/D转换数字信号存储以及将信号向外输出的功能。

ARM Cortex A8，简称A8或Cortex A8.是第一款基于ARMv7架构的应用处理器，使用了能够带来更高性能、功耗效率和代码密度的Thumb-2技术。它首次采用了强大的NEONTM信号处理扩展集，对H.264和MP3等媒体编解码提供加速。性价比最高的处理器解决方案，高性能低成本。支持双核ARMCortexA8简称A8或CortexA8.是第一款基与于ARMv7架构的应用处理器，使用了能够带来更高性能、功耗效率和代码密度的Thumb-2技术。它首次采用了强大的NEONTM信号处理扩展集，对H.264和MP3等媒体编解码提供加速。Cortex-A8解决方案还包括Jazelle-RCTJava加速技术，对实时（JIT）和动态调适编译（DAC）提供最优化，同时减少内存占用空间高达三倍。

通过延伸ARM核心板的各种外围接口，在外部添加一些必要的外围器件和芯片就可以组成所需要的一些外部接口，用以与外部设备连接。在本系统当中需要的外部扩展的设备或者器件主要有SD卡、LCD触摸屏、USB通用设备、无线通信设备及其他的一些特定功能的设备或器件。扩展板的各种功能接口如图3。

图3

3 结束语

在工业化的道路上，铝的生产起着至关重要的作用，在电解铝的过程中要达到工业所满足的要求——实时性，准确性，对生产会给予很大的经济效益。基于ARM的初晶温度检测系统的研究给电解铝提供了一条新的方法。